Porozumění odrazům a stojatým vlnám při návrhu obvodů RF

Real-Life RF signály
Návrh vysokofrekvenčního obvodu musí odpovídat dvěma důležitým, i když poněkud záhadným jevům: odrazům a stojatým vlnám.

Z našeho působení v jiných vědních oborech víme, že vlny jsou spojovány se zvláštními typy chování. Světelné vlny se lámou, když se pohybují z jednoho média (jako je vzduch) do jiného média (jako je sklo). 

Vodní vlny se rozptylují, když narazí na lodě nebo velké skály. Zvukové vlny zasahují, což má za následek periodické změny hlasitosti (nazývané „rytmy“).

Elektrické vlny také podléhají chování, které obvykle nespojujeme s elektrickými signály. Obecný nedostatek obeznámenosti s vlnovou povahou elektřiny však není překvapující, protože v mnoha obvodech jsou tyto účinky zanedbatelné nebo neexistující. 

Je možné, že digitální nebo nízkofrekvenční analogový technik pracuje roky a navrhuje mnoho úspěšných systémů, aniž by nikdy získal důkladné pochopení vlnových efektů, které se stávají prominentními ve vysokofrekvenčních obvodech.

Jak je uvedeno na předchozí stránce, propojení, které je předmětem zvláštního chování vysokofrekvenčního signálu, se nazývá přenosové vedení. Efekty přenosové linky jsou významné pouze tehdy, je-li délka propojení alespoň jedna čtvrtina vlnové délky signálu; takže se nemusíme obávat vlnových vlastností, pokud nepracujeme s vysokými frekvencemi nebo velmi dlouhými propojeními.

Odraz
Reflexe, lom, difrakce, interference - všechna tato klasická vlnění se vztahují na elektromagnetické záření. 

V tomto bodě se však stále zabýváme elektrickými signály, tj. Signály, které dosud nebyly anténou převedeny na elektromagnetické záření, a proto se musíme zabývat pouze dvěma z nich: odrazem a rušením.

Obecně považujeme elektrický signál za jednosměrný jev; putuje od výstupu jedné komponenty ke vstupu jiné komponenty, nebo jinými slovy, od zdroje k zátěži. Při návrhu RF si však musíme být vždy vědomi skutečnosti, že signály se mohou pohybovat v obou směrech: ze zdroje do zátěže, určitě, ale také - kvůli odrazům - od zátěže ke zdroji.

Vlna putující po provázku prožíváces odraz, když dosáhne fyzické bariéry.

Analogie vlnových vln
K odrazům dochází, když vlna narazí na diskontinuitu. Představte si, že bouře vyústila ve velké vodní vlny šířící se přes normálně klidný přístav. Tyto vlny se nakonec srazí s pevnou skalní stěnou. Intuitivně víme, že se tyto vlny odrazí od skalní stěny a šíří se zpět do přístavu. Intuitivně však také víme, že vodní vlny, které naráží na pláž, zřídka povedou k výraznému odrazu energie zpět do oceánu. Proč ten rozdíl?

Vlny přenášejí energii. Když se vodní vlny šíří otevřenou vodou, tato energie se jednoduše pohybuje. Když vlna dosáhne diskontinuity, hladký pohyb energie je přerušen; v případě pláže nebo skalní stěny již není možné šíření vln. 

Ale co se stane s energií, která byla vlnou přenášena? Nemůže zmizet; musí být buď absorbován nebo odrazen. Skalní stěna neabsorbuje vlnovou energii, takže dochází k odrazu - energie se dále šíří ve vlnové formě, ale v opačném směru. Pláž však umožňuje vlnovou energii rozptylovat se postupně a přirozeněji. Pláž pohlcuje energii vlny, a proto dochází k minimální reflexi.

Od vody po elektrony
Elektrické obvody také představují diskontinuity, které ovlivňují šíření vln; v tomto kontextu je kritickým parametrem impedance. Představte si elektrickou vlnu putující po přenosové lince; to je ekvivalentní vodní vlně uprostřed oceánu. 

Vlna a její přidružená energie se plynule šíří od zdroje k zátěži. Nakonec však elektrická vlna dosáhne svého cíle: antény, zesilovače atd.

Z předchozí stránky víme, že k maximálnímu přenosu energie dochází, když je velikost impedance zátěže rovna velikosti impedance zdroje. (V této souvislosti se „impedance zdroje“ může vztahovat také na charakteristickou impedanci přenosové linky.) 

Se sladěnými impedancemi opravdu neexistuje diskontinuita, protože zátěž může absorbovat veškerou energii vlny. Pokud se však impedance neshodují, absorbuje se pouze část energie a zbývající energie se odráží ve formě elektrické vlny pohybující se v opačném směru.

Množství odražené energie je ovlivněno závažností nesouladu mezi zdrojem a impedancí zátěže. Dva nejhorší scénáře jsou otevřený obvod a zkrat, což odpovídá impedanci nekonečného zatížení a impedanci nulového zatížení. 

Tyto dva případy představují úplnou nespojitost; žádná energie nemůže být absorbována, a proto se veškerá energie odráží.

Význam shody
Pokud jste se dokonce podíleli na návrhu nebo testování RF, víte, že impedanční párování je běžným tématem diskuse. Nyní chápeme, že impedance musí být přizpůsobeny, aby se zabránilo odrazům, ale proč tolik obav o odrazy?

Prvním problémem je jednoduše účinnost. Pokud máme k anténě připojený výkonový zesilovač, nechceme, aby se polovina výstupního výkonu odrazila zpět do zesilovače. 

Celým bodem je výroba elektrické energie, kterou lze převést na elektromagnetické záření. Obecně chceme přesunout energii ze zdroje do zátěže, což znamená, že odrazy musí být minimalizovány.

Druhé číslo je o něco jemnější. Nepřetržitý signál přenášený přenosovým vedením do neodpovídající impedance zátěže bude mít za následek nepřetržitý odrazený signál. Tyto dopadající a odražené vlny procházejí navzájem v opačných směrech. Rušení má za následek stojatou vlnu, tj. Stacionární vlnovou strukturu rovnající se součtu dopadajících a odražených vln. 

Tato stojatá vlna opravdu vytváří variace amplitudy špiček podél fyzické délky kabelu; určitá místa mají vyšší maximální amplitudu a jiná místa mají nižší maximální amplitudu.

Stálé vlny vedou k napětím, která jsou vyšší než původní napětí přenášeného signálu, a v některých případech je účinek dostatečně závažný, aby způsobil fyzické poškození kabelů nebo součástí.

Shrnutí

* Elektrické vlny podléhají odrazům a rušení.

* Vodní vlny se odrážejí, když dosáhnou fyzické překážky, jako je kamenná zeď. Podobně k elektrickému odrazu dochází, když střídavý signál narazí na impedanční diskontinuitu.

* Můžeme zabránit odrazu přizpůsobením impedance zátěže s charakteristickou impedancí přenosové linky. To umožňuje zatížení absorbovat vlnovou energii.

* Úvahy jsou problematické, protože snižují množství energie, která může být přenesena ze zdroje do zátěže.

* Úvahy také vedou ke stojatým vlnám; části s vysokou amplitudou stojaté vlny mohou poškodit součásti nebo kabely.

Zanechat vzkaz 

Seznam zpráv